一种用于1～2.5μm短红外波段的复消色差光学系统及应用的制作方法

本发明涉及复消色差光学系统技术领域，尤其涉及一种用于1～2.5μm短红外波段的复消色差光学系统及应用。

背景技术：

夜战已经成为现代局部战争的一种主要形式。依靠大量的红外夜视装备，军队获得了战场的“单向透明”，从而掌握战争的主动权。战争的需求拉动了红外成像技术的发展，红外成像技术的发展又促进了高技术局部战争向信息化局部战争的转变，并成为信息化战争所依赖的一种主要传感器技术。

长波、中波和短波红外辐射的性质各不相同，军事上利用对应三个“大气窗口”的红外成像技术，可显著提高对目标的探测和识别能力。短波红外系统是工作于1～2.5μm的红外波段，而太阳和星星在这个波段有很强的发射。短波红外成像主要是利用室温景物反射及发射的短波红外辐射特性来实现探测，可以弥补中长波红外夜视的不足，填补短波红外大气窗口的利用空白，这对于在红外波段全面获取目标的信息具有重要意义。

红外成像光学系统的消色差设计直接关系到成像质量的好坏。短波红外相对带宽远远大于中、长波红外以及可见光，其消色差困难程度也将远远大于其他波段范围，因此光学系统要在短波红外进行成像，首先应考虑光学系统色差对成像质量的影响。全反射式光学系统不引入色差，但是光学系统结构较复杂，加工装配均十分困难。折射式光学系统由折射透镜引入色差，但可以采用球面面型，加工装配较容易，因此需要采取一些技术手段来使系统的色差得以校正，从而实现短波红外成像。

申请号为CN201610526847.2的中国专利申请公开了一种短波红外宽波段复消色差像方远心望远物镜。它为同轴透射式光学系统，工作波段为1.0～2.5μm，包括八块球面透镜，沿光线入射方向，依次为三块正弯月透镜、一块负弯月透镜、一块双凹负透镜、一块正弯月透镜和两块双凸正透镜，光阑位于第四块与第五块透镜之间，前七块透镜均弯向光阑，第八块透镜使像方主光线平行于光轴垂直入射到像面上。该光学系统采用了八块透镜和三种材料，加工成本较高，而且相对口径最大仅为1/2.6，焦距仅为10mm，该望远物镜适用于100米以内的成像需求，但难以满足远距离探测的成像需求。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明公开了一种用于1～2.5μm短红外波段的复消色差光学系统及应用。所述光学系统与热电制冷型短波红外探测器匹配，该系统仅用了两种材料，五片全球面镜片组成，结构简单，装调容易。

本发明的技术方案如下：一种用于1～2.5μm短红外波段成像的复消色差光学系统，所述光学系统从物方至像方按顺序由第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、探测器窗口6和镜面7组成；所述第一透镜1前表面为光学系统的孔径光阑，来自物方的光束依次通过第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5和探测器窗口6在像面7上成像；

五个透镜的光焦度依次为：正、正、负、正、正，第一透镜1弯向像方，第二透镜2弯向像方，第三透镜3为双凹透镜，第四透镜4弯向物方，第五透镜5弯向像方，五个透镜前、后表面均为球面。

所述第一透镜1、第二透镜2和第三透镜3均由氟化钡BAF2材料制成，第四透镜4和第五透镜5均由火石玻璃SF6材料制成，探测器窗口6由蓝宝石Al₂O₃材料制成。

所述第一透镜1、第二透镜2和第三透镜3组成了具有负光焦度的前透镜群组，第四透镜4和第五透镜5组成了具有正光焦度的后透镜群组，前透镜群组和后透镜群组共同组成了远距摄影的结构型式。

进一步地，所述第一透镜1前表面的曲率半径为56.74～85.10mm，前表面的有效孔径为81～99mm，前表面的厚度为16.83～20.7mm；所述第一透镜(1)后表面的曲率半径为601.28～901.92mm，后表面的有效孔径为70.8～106.2mm，后表面的厚度为37.98～46.42mm。

进一步地，所述第二透镜2前表面的曲率半径为48.72～73.08mm，前表面的有效孔径为54.72～66.88mm，前表面的厚度为9.36～11.44mm；所述第二透镜(2)后表面的曲率半径为358.16～537.24mm，后表面的有效孔径为52.2～63.8mm，后表面的厚度为3.87～4.73mm。

进一步地，所述第三透镜3前表面的曲率半径为-165.26～-110.18mm，前表面的有效孔径为51.66～63.14mm，前表面的厚度为4.5～5.5mm；所述第三透镜(3)后表面的曲率半径为110.18～165.26mm，后表面的有效孔径为48.33～59.07mm，后表面的厚度为76.56～93.58mm。

进一步地，所述第四透镜4前表面的曲率半径为-26.14～-17.42mm，前表面的有效孔径为22.05～26.95mm，前表面的厚度为4.5～5.5mm；所述第四透镜(4)后表面的曲率半径为-26.44～-21.64mm，后表面的有效孔径为23.67～28.93mm，后表面的厚度为0～2mm。

进一步地，所述第五透镜5前表面的曲率半径为21.63～32.45mm，前表面的有效孔径为21.6～26.4mm，前表面的厚度为4.5～5.5mm；所述第五透镜5后表面的曲率半径为29.52～44.28mm，后表面的有效孔径为19.8～24.2mm，后表面的厚度为13.14～16.06mm。

本发明还提供所述用于1～2.5μm短红外波段成像的复消色差光学系统在夜视侦查设备、军用迷彩伪装识别和激光光源探测中的应用。

本发明提供一种五片折射式短波红外光学系统，在色差理论的指导下，针对可用于短波红外的光学材料色散系数(阿贝数)等进行分析比较，从中选择了一组能最大限度满足消色差的材料组合，即BAF2和SF6两种材料组合，通过合理分配光焦度，本发明采用色散小的BAF2材料做正透镜，色散大的SF6材料做负透镜，使系统色差得到很好校正，适用于10公里以上的远距离成像。所述系统在探测器中心频率16.7lp/mm处的光线系统边缘视场传递函数值达到70％以上，且各视场点列图的均方根半径均小于8μm，即各视场点列图弥散斑均位于探测器30μm大小的单个像元内，由此认为本光学系统达到了短波红外复消色差(校正了二级光谱的设计称为复消色差设计)的结果，而且像质接近衍射极限，成像质量良好。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明提供的光学系统结构简单、紧凑，加工、装调较容易实现，光学系统仅采用两种材料BAF2和SF6，全部为球面面型，即达到了复消色差设计的效果，适用于短红外远距离成像。

附图说明

图1为本发明一种实施例光线系统结构示意图；

图1中，1代表第一透镜，2代表第二透镜，3代表第三透镜，4代表第四透镜，5-第五透镜，6-探测器窗口，7-镜面(焦面)。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。

图1为本发明所设计的短波红外五片式光学系统最佳实施例结构示意图。所述系统设计波段为1μm～2.5μm，通光口径：ф90mm，视场：3°×2.4°，系统焦距为180mm的红外系统。

光学系统具体设计参数如表1所示。

表1

S1-1代表第一透镜前表面，S1-2代表第一透镜后表面，S2-1代表第二透镜前表面，S2-2代表第二透镜后表面，S3-1代表第三透镜前表面，S3-2代表第三透镜后表面，S4-1代表第四透镜前表面，S4-2代表第四透镜后表面，S5-1代表第五透镜前表面，S5-2代表第五透镜后表面，S6-1代表探测器窗口前表面，S6-2代表探测器窗口后表面。

所述五个透镜的光焦度依次为：正、正、负、正、正，第一透镜1弯向像方，第二透镜2弯向像方，第三透镜3为双凹透镜，第四透镜4弯向物方，第五透镜5弯向像方，五个透镜前后表面均为球面。第一透镜1、第二透镜2以及第三透镜3是氟化钡BAF2材料制成的球面透镜，第四透镜4和第五透镜5是火石玻璃SF6材料制成的球面透镜，探测器窗口6是蓝宝石Al₂O₃材料制成的平板。

实施例1提供的光学系统各视场的均方根点列图(RMS Spot Radius)和最大点列图(Max Spot Radius)如表2所示。

表2

由表2可以看出，各视场的点列图均小于像元尺寸30μm，从而获得了接近衍射限的成像质量。

实施例1制得的光学系统，全视场弥散斑RMS值介于2.129μm～10.762μm之间，像差已经校正得很好，完全匹配像元尺寸30μm的探测器，成像质量良好。

实施例2

在实施例1的基础上，将材料组合BAF2-BAF2-BAF2-SF6-SF6改变为BAF2-BAF2-SF6-ZNS-ZNS，从而形成实施例2，将其与实施例1的光学系统进行对比，如表3所示。

表3

通过实施例1与实施例2的比较，可以发现，将最佳实施例1的材料组合进行改变形成的实施例2，消色差效果降低，且需要采用三种材料，系统复杂度提高，而且其中的ZNS材料价格高昂，加工成本将大幅提高。

在实施例1五片透镜BAF2-BAF2-BAF2-SF6-SF6材料顺序的基础上，如果任意改变材料种类或材料的顺序，消色差均降低，甚至没有消色差效果。